(57)【要約】【課題】開口を有する電流狭窄層上にｐ型クラッド層が再成長された構成を備えるIII族窒化物半導体レーザ素子において、半極性の再成長界面に存在するｎ型不純物による影響を低減する。【解決手段】半導体レーザ素子１０は、ｎ型半導体領域１４、活性層１６、第１のｐ型半導体領域１８、電流狭窄層２０、及び第２のｐ型半導体領域２２を備える。第２のｐ型半導体領域２２は、電流狭窄層２０の開口２０ａの形成後に第１のｐ型半導体領域１８上及び電流狭窄層２０上に再成長された領域である。第１のｐ型半導体領域１８における第２のｐ型半導体領域２２との界面は、III族窒化物半導体の半極性面を含む。第１のｐ型半導体領域１８は、第１のｐ型半導体領域１８と第２のｐ型半導体領域２２との界面を構成し且つ１×１０２０ｃｍ−３以上のｐ型不純物濃度を有する高濃度ｐ型半導体層１８ｃを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型のIII族窒化物半導体からなるｎ型半導体領域と、
III族窒化物半導体からなり、前記ｎ型半導体領域上に設けられた活性層と、
ｐ型のIII族窒化物半導体からなり、前記活性層上に設けられた第１のｐ型半導体領域と、
前記第１のｐ型半導体領域上に設けられ、所定のレーザ共振方向に延びる開口を有する電流狭窄層と、
ｐ型のIII族窒化物半導体からなり、前記電流狭窄層の前記開口の形成後に前記第１のｐ型半導体領域上及び電流狭窄層上に再成長された第２のｐ型半導体領域と
を備え、
前記第１のｐ型半導体領域における前記第２のｐ型半導体領域との界面が、当該III族窒化物半導体の半極性面を含んでおり、
前記第１及び第２のｐ型半導体領域のうち少なくとも一方が、前記第１のｐ型半導体領域と前記第２のｐ型半導体領域との界面を構成し且つ１×１０２０ｃｍ−３以上のｐ型不純物濃度を有する高濃度ｐ型半導体層を有することを特徴とする、III族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記高濃度ｐ型半導体層の厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載のIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記高濃度ｐ型半導体層が、前記第１のｐ型半導体領域にのみ設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記活性層の前記第１のｐ型半導体領域側の界面と、前記高濃度ｐ型半導体層の前記活性層側の界面との距離が２００ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
レーザ発振の共振波長が５００ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１〜３には、III族窒化物半導体レーザ素子が記載されている。これらの文献に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子は、いずれも、III族窒化物半導体から成る基板と、基板上に設けられたｎ型III族窒化物半導体から成るｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上に設けられたIII族窒化物半導体から成る活性層と、活性層上に設けられたｐ型III族窒化物半導体から成るｐ型クラッド層とを備えている。そして、ｐ型クラッド層と活性層との間には光ガイド層（光ガイド層）が設けられており、更に、光ガイド層とｐ型クラッド層との間には、電流狭窄のための開口を有する電流狭窄層が設けられている。このような構造を備えるIII族窒化物半導体レーザ素子は、電流狭窄層に開口を形成したのち、該開口を埋め込むようにｐ型クラッド層を再成長させることによって作製される。なお、特許文献１〜３には、多結晶若しくはアモルファス状のＡｌＮから成る電流狭窄層が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１２１１０７号公報
【特許文献２】特開２００７−０６７４３２号公報
【特許文献３】特開２００８−２９４０５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した構成を備えるIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する際、電流狭窄層の開口は、例えば電流狭窄層にエッチングを施すことによって形成される。このとき、電流狭窄層の開口から露出した半導体の表面（すなわち、ｐ型クラッド層との再成長界面）には、ｎ型ドーパントとなる酸素やシリコンといった不純物の付着（パイルアップ）が発生する。通常、有機金属原料を用いたＣＶＤによって半導体層を成長させる場合、Ｈ２若しくはＮＨ３等を用いた１０００℃以上での表面クリーニングを成長界面に対して実施する。そして、このクリーニングによって、上述したような不純物は好適に除去される。しかしながら、電流狭窄層を有する構成においてこのような高温でのクリーニングを行うと、電流狭窄層が結晶化し、再成長層（ｐ型クラッド層）の結晶品質が低下してしまう。したがって、ｐ型クラッド層の再成長工程の前にこのような高温でのクリーニングを行うことは難しい。したがって、ｎ型不純物が残留する再成長界面上にｐ型クラッド層を成長させることとなるので、該界面においてｎ型不純物による非発光再結合が発生し、電流の損失が生じる。これにより、半導体レーザ素子の閾値電流密度が上昇してしまう。また、再成長界面の活性層側にもｐ型半導体層が存在する場合には、局所的なｐｎｐ構造が形成されるので、半導体レーザ素子の動作電圧が上昇してしまう。
【０００５】
このような現象は、ｐ型クラッド層の再成長界面が半極性面である場合に特に顕著となる。例えば青色光を発生するIII族窒化物半導体レーザ素子においては、III族窒化物半導体のｃ面を主面とする基板が多く用いられる。この場合、ｐ型クラッド層の再成長界面もｃ面となる。しかし、緑色光を発生するIII族窒化物半導体レーザ素子においては、活性層におけるピエゾ電界を低減する為に、III族窒化物半導体の半極性面を主面とする基板が用いられることがある。この場合、ｐ型クラッド層の再成長界面も半極性面となる。そして、本発明者の知見によれば、半極性面においてはダングリングボンド（原子における未結合手）が多く露出するので、ｃ面、ａ面、或いはｍ面といった低面指数面と比較して、ｎ型不純物の取り込みが多くなってしまう。その結果、上述した閾値電流密度の上昇、及び動作電圧の上昇が顕著となる。
【０００６】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、開口を有する電流狭窄層上にｐ型クラッド層が再成長された構成を備えるIII族窒化物半導体レーザ素子において、半極性の再成長界面に存在するｎ型不純物による影響を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するために、本発明によるIII族窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型のIII族窒化物半導体からなるｎ型半導体領域と、III族窒化物半導体からなり、ｎ型半導体領域上に設けられた活性層と、ｐ型のIII族窒化物半導体からなり、活性層上に設けられた第１のｐ型半導体領域と、第１のｐ型半導体領域上に設けられ、所定のレーザ共振方向に延びる開口を有する電流狭窄層と、ｐ型のIII族窒化物半導体からなり、電流狭窄層の開口の形成後に第１のｐ型半導体領域上及び電流狭窄層上に再成長された第２のｐ型半導体領域とを備え、第１のｐ型半導体領域における第２のｐ型半導体領域との界面が、当該III族窒化物半導体の半極性面を含んでおり、第１及び第２のｐ型半導体領域のうち少なくとも一方が、第１のｐ型半導体領域と第２のｐ型半導体領域との界面を構成し且つ１×１０２０ｃｍ−３以上のｐ型不純物濃度を有する高濃度ｐ型半導体層を有することを特徴とする。
【０００８】
このIII族窒化物半導体レーザ素子では、第１のｐ型半導体領域における第２のｐ型半導体領域との界面が、当該III族窒化物半導体の半極性面を含んでいる。このような構成は、活性層がIII族窒化物半導体の半極性面上に成長された場合に主に実現されるので、活性層のＩｎ組成が高い緑色発光半導体レーザ素子を好適に実現できる。また、このIII族窒化物半導体レーザ素子では、第１及び第２のｐ型半導体領域のうち少なくとも一方が、第１のｐ型半導体領域と第２のｐ型半導体領域との界面を構成する高濃度ｐ型半導体層を有している。すなわち、第１のｐ型半導体領域の高濃度ｐ型半導体層は第２のｐ型半導体領域に接し、第２のｐ型半導体領域の高濃度ｐ型半導体層は第１のｐ型半導体領域に接する。更に、この高濃度ｐ型半導体層は、１×１０２０ｃｍ−３以上のｐ型不純物濃度を有している。
【０００９】
前述したように、第１のｐ型半導体領域上に第２のｐ型半導体領域を再成長させる際、第１のｐ型半導体領域の表面にはｎ型ドーパントとなる酸素やシリコンといった不純物の付着（パイルアップ）が発生する。しかしながら、このIII族窒化物半導体レーザ素子では、高濃度ｐ型半導体層のｐ型不純物が拡散してｎ型不純物を補償するので、ｎ型不純物による影響（閾値電流密度が上昇や動作電圧の上昇）が抑えられる。すなわち、このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、半極性の再成長界面に存在するｎ型不純物による影響を低減することができる。
【００１０】
また、III族窒化物半導体レーザ素子は、高濃度ｐ型半導体層の厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴としてもよい。本発明者の知見によれば、再成長界面に存在するｎ型不純物の厚さ方向分布の半値幅は１０ｎｍ程度であり、高濃度ｐ型半導体層の厚さがこの値を超えないことによって、III族窒化物半導体レーザ素子の良好な動作特性を保持することができる。
【００１１】
また、III族窒化物半導体レーザ素子は、高濃度ｐ型半導体層が、第１のｐ型半導体領域にのみ設けられてもよい。このような構成によれば、上述した効果を好適に奏するIII族窒化物半導体レーザ素子を提供できる。
【００１２】
また、III族窒化物半導体レーザ素子は、活性層の第１のｐ型半導体領域側の界面と、高濃度ｐ型半導体層の活性層側の界面との距離が２００ｎｍ以上であることを特徴としてもよい。このように活性層と高濃度ｐ型半導体層との間隔を広くすることによって、高濃度ｐ型半導体層のｐ型不純物による光吸収作用を抑え、レーザ発振効率の低下を抑制することができる。また、ｐ型不純物の光吸収特性が５００ｎｍ以上の波長域において顕著となることから、レーザ発振の共振波長は５００ｎｍ以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、開口を有する電流狭窄層上にｐ型クラッド層が再成長された構成を備えるIII族窒化物半導体レーザ素子において、半極性の再成長界面に存在するｎ型不純物による影響を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）〜図２（ｃ）は、半導体レーザ素子の作製方法の一例における各工程を示す断面図である。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｃ）は、半導体レーザ素子の作製方法の一例における各工程を示す断面図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｃ）は、半導体レーザ素子の作製方法の一例における各工程を示す断面図である。
【図５】図５は、半導体レーザ素子の作製方法の一例における一工程を示す断面図である。
【図６】図６は、比較例としてのIII族窒化物半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図７】図７は、以上の構成を備える半導体レーザ素子の厚さ方向における、二次イオン質量分析の結果を示すグラフである。
【図８】図８（ａ）及び図８（ｂ）は、半導体レーザ素子のバンド構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照しながら本発明によるIII族窒化物半導体レーザ素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子１０の構成を示す断面図であって、レーザ共振方向に垂直な断面を示している。この半導体レーザ素子１０は、５００ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の発振波長の緑色レーザ光を出力するIII族窒化物半導体レーザ素子である。半導体レーザ素子１０は、支持基板としての半導体基板１２と、ｎ型半導体領域１４と、活性層１６と、第１のｐ型半導体領域１８と、電流狭窄層２０と、第２のｐ型半導体領域２２と、アノード電極２４と、カソード電極２６とを備えている。
【００１７】
半導体基板１２は、III族窒化物半導体からなり、一実施例ではｎ型ＧａＮからなる。半導体基板１２は、III族窒化物半導体結晶の半極性面を含む主面１２ａ及び裏面１２ｂを有する。すなわち、半導体基板１２を構成するIII族窒化物のｃ軸は、主面１２ａの法線軸に対して傾斜している。半導体基板１２の主面１２ａの傾斜角は、主面１２ａの法線ベクトルとｃ軸との成す角度によって規定される。この角度は、１０度以上８０度以下の範囲にあることができ、或いは１００度以上１７０度以下の範囲にあることができる。半導体基板１２が例えばＧａＮである場合、この角度範囲によればＧａＮの半極性の性質を提供できる。さらに、傾斜角は６３度以上８０度以下の範囲にあることが好ましく、或いは１００度以上１１７度以下の範囲にあることが好ましい。この角度範囲によれば、５００ｎｍ以上の発光のための活性層１６（後述）に好適なＩｎ組成のＩｎＧａＮ層を提供できる。また、半導体基板１２を構成するIII族窒化物のｃ軸は、ｍ軸の方向に傾斜していることが好ましい。更に、半導体基板１２を構成するIII族窒化物のｃ軸は、主面１２ａに対して略７５度の傾斜角でもってｍ軸の方向に傾斜していると尚好ましい。典型的な主面１２ａの面方位は、｛２０−２１｝である。
【００１８】
ｎ型半導体領域１４は、ｎ型のIII族窒化物半導体からなる。ｎ型半導体領域１４は、半導体基板１２の主面１２ａ上に設けられており、主面１２ａの法線方向に積層された一又は複数の半導体層からなる。本実施形態のｎ型半導体領域１４は、主面１２ａ上に順に積層されたｎ型クラッド層１４ａ、第１の下部光ガイド層１４ｂ、及び第２の下部光ガイド層１４ｃを有する。
【００１９】
ｎ型クラッド層１４ａ、第１の下部光ガイド層１４ｂ、及び第２の下部光ガイド層１４ｃは、ｎ型のIII族窒化物半導体からなる。一実施例では、ｎ型クラッド層１４ａはｎ型ＡｌＧａＮ、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができ、第１の下部光ガイド層１４ｂはｎ型ＧａＮからなることができ、第２の下部光ガイド層１４ｃはｎ型ＩｎＧａＮからなることができる。第２の下部光ガイド層１４ｃのＩｎ組成は例えば０．０２５である。これらｎ型クラッド層１４ａ、第１の下部光ガイド層１４ｂ、及び第２の下部光ガイド層１４ｃそれぞれの厚さは、例えば１２００ｎｍ、２５０ｎｍ、１５０ｎｍである。また、これらｎ型クラッド層１４ａ、第１の下部光ガイド層１４ｂ、及び第２の下部光ガイド層１４ｃのｎ型不純物は例えばＳｉであり、その濃度は、例えば２×１０１８ｃｍ−３である。
【００２０】
活性層１６は、単一層からなることができ、或いは量子井戸構造（単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造）を有することができる。なお、図１には、単一量子井戸構造のための井戸層１６ａおよびバリア層１６ｂが示されている。井戸層１６ａはＩｎＧａＮ等からなることができ、バリア層１６ｂはＧａＮ又はＩｎＧａＮ等からなることができる。一実施例では、井戸層１６ａの厚さは例えば２．５ｎｍであり、バリア層１６ｂの厚さは例えば１０ｎｍである。活性層１６の発光波長は、井戸層１６ａのバンドギャップやＩｎ組成、その厚さ等によって制御される。一実施例では、井戸層１６ａのＩｎ組成は０．２０であり、このようなＩｎ組成は、波長５１０ｎｍといった緑色の発光を井戸層１６ａに生じさせることができる。
【００２１】
第１のｐ型半導体領域１８は、ｐ型のIII族窒化物半導体からなる。第１のｐ型半導体領域１８は、活性層１６上に設けられており、主面１２ａの法線方向に積層された一又は複数の半導体層からなる。本実施形態の第１のｐ型半導体領域１８は、活性層１６上に順に積層された第２の上部光ガイド層１８ｂ及び第１の上部光ガイド層１８ａを有する。なお、第２の上部光ガイド層１８ｂと活性層１６との間には、アンドープの第３の上部光ガイド層１９が設けられている。
【００２２】
前述したように、半導体基板１２の主面１２ａは、III族窒化物半導体の半極性面を含んでいる。したがって、その結晶軸方向に成長するｎ型半導体領域１４、活性層１６、及び第１のｐ型半導体領域１８の各表面もまた、III族窒化物半導体の半極性の性質を有する。すなわち、第１のｐ型半導体領域１８の表面（後述する第２のｐ型半導体領域２２との界面）は、III族窒化物半導体の半極性面を含む。
【００２３】
第２の上部光ガイド層１８ｂ及び第１の上部光ガイド層１８ａは、ｐ型のIII族窒化物半導体からなる。一実施例では、第２の上部光ガイド層１８ｂはｐ型ＩｎＧａＮからなることができ、第１の上部光ガイド層１８ａはｐ型ＧａＮからなることができる。第２の上部光ガイド層１８ｂのＩｎ組成は例えば０．０２５である。これら第２の上部光ガイド層１８ｂ及び第１の上部光ガイド層１８ａの各厚さは、例えばそれぞれ４０ｎｍ、２００ｎｍである。また、これら第２の上部光ガイド層１８ｂ及び第１の上部光ガイド層１８ａのｐ型不純物は例えばＭｇである。第１の上部光ガイド層１８ａのｐ型不純物濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下の範囲内であり、好適には１×１０１８ｃｍ−３である。また、第３の上部光ガイド層１９は、アンドープのIII族窒化物半導体からなり、一実施例ではＩｎＧａＮからなることができる。第３の上部光ガイド層１９のＩｎ組成は例えば０．０２５である。第３の上部光ガイド層１９の厚さは、例えば８０ｎｍである。
【００２４】
電流狭窄層２０は、第１のｐ型半導体領域１８上に堆積した多結晶若しくはアモルファス状のIII族窒化物半導体（例えばＡｌＮ）から成る層である。このような電流狭窄層２０は、III族窒化物半導体を低温（例えば５００℃）にて成長させることによって好適に得られる。電流狭窄層２０は、所定のレーザ共振方向に延びる開口２０ａを有しており、III族窒化物半導体レーザ素子１０に供給された電流に該開口２０ａを通過させることにより、電流狭窄を行う。なお、所定のレーザ共振方向と直交する方向における開口２０ａの幅Ｗ１は例えば２μｍであり、所定のレーザ共振方向における開口２０ａの長さは例えば６００μｍである。また、電流狭窄層２０の厚さは、例えば１０ｎｍである。
【００２５】
第２のｐ型半導体領域２２は、ｐ型のIII族窒化物半導体からなる。第２のｐ型半導体領域２２は、電流狭窄層２０の開口２０ａを埋め込むように電流狭窄層２０上及び第１のｐ型半導体領域１８上に設けられており、電流狭窄層２０の開口２０ａが形成された後に、第１のｐ型半導体領域１８上及び電流狭窄層２０上に再成長された領域である。第２のｐ型半導体領域２２は、主面１２ａの法線方向に積層された一又は複数の半導体層からなる。本実施形態の第２のｐ型半導体領域２２は、電流狭窄層２０上及び第１のｐ型半導体領域１８上に順に積層されたｐ型クラッド層２２ａ、下部コンタクト層２２ｂ、及び上部コンタクト層２２ｃを有する。
【００２６】
ｐ型クラッド層２２ａ、下部コンタクト層２２ｂ、及び上部コンタクト層２２ｃは、ｐ型のIII族窒化物半導体からなる。一実施例では、ｐ型クラッド層２２ａはｐ型ＡｌＧａＮ、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができ、下部コンタクト層２２ｂはｐ型ＧａＮからなることができ、上部コンタクト層２２ｃは高濃度ｐ型ＧａＮからなることができる。これらｐ型クラッド層２２ａ、下部コンタクト層２２ｂ、及び上部コンタクト層２２ｃそれぞれの厚さは、例えば４００ｎｍ、４０ｎｍ、１０ｎｍである。また、これらｐ型クラッド層２２ａ、下部コンタクト層２２ｂ、及び上部コンタクト層２２ｃのｐ型不純物は例えばＭｇである。ｐ型クラッド層２２ａにおけるｐ型不純物濃度は、例えば５×１０１８ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下の範囲内であり、好適には１×１０１９ｃｍ−３である。なお、上述したように、電流狭窄層２０が多結晶若しくはアモルファス状のIII族窒化物半導体（例えばＡｌＮ）から成るので、その上に成長するｐ型クラッド層２２ａの結晶性は良好となり、また、ｐ型クラッド層２２ａ内部におけるクラックの発生が低減される。
【００２７】
アノード電極２４は、第２のｐ型半導体領域２２の上部コンタクト層２２ｃ上に設けられており、上部コンタクト層２２ｃとオーミック接触を成している。アノード電極２４は、例えばＰｄが上部コンタクト層２２ｃ上に蒸着されて成り、その厚さは例えば１００ｎｍである。カソード電極２６は、半導体基板１２の裏面１２ｂ上に設けられており、半導体基板１２とオーミック接触を成している。カソード電極２６は、例えばＴｉ／Ａｌが裏面１２ｂに蒸着されて成る。
【００２８】
ここで、本実施形態の第１のｐ型半導体領域１８は、高濃度ｐ型半導体層１８ｃを更に有する。高濃度ｐ型半導体層１８ｃは、第１のｐ型半導体領域１８の最上層に位置することによって、第１のｐ型半導体領域１８と第２のｐ型半導体領域２２との界面を構成する。換言すれば、高濃度ｐ型半導体層１８ｃは、第１の上部光ガイド層１８ａ上に設けられており、ｐ型クラッド層２２ａ及び電流狭窄層２０と第１の上部光ガイド層１８ａとの間に挟まれている。
【００２９】
高濃度ｐ型半導体層１８ｃは、ｐ型のIII族窒化物半導体からなる。一実施例では、高濃度ｐ型半導体層１８ｃはｐ型ＧａＮ等からなることができる。高濃度ｐ型半導体層１８ｃは、１×１０２０ｃｍ−３以上３×１０２０ｃｍ−３以下といった比較的高いｐ型不純物濃度を有する。このようなｐ型不純物濃度は、高濃度ｐ型半導体層１８ｃに隣接する第１の上部光ガイド層１８ａやｐ型クラッド層２２ａのｐ型不純物濃度よりも格段に大きい数値であり、これらの層のｐ型不純物濃度よりも例えば一桁ないし二桁程度大きい数値である。高濃度ｐ型半導体層１８ｃのｐ型不純物は例えばＭｇである。高濃度ｐ型半導体層１８ｃの厚さは１０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
以上の構成を備える半導体レーザ素子１０は、例えば以下のようにして作製される。図２〜図５は、半導体レーザ素子１０の作製方法の一例における各工程を示す断面図であって、レーザ共振方向に垂直な断面を示している。なお、以下の説明において、半導体の成長にはＮＨ３、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ等の有機金属原料が使用される。また、ｎ型ドーパント（Ｓｉ）の原料としてはシランガスが、ｐ型ドーパント（Ｍｇ）の原料としてはＣｐ２Ｍｇが、それぞれ用いられる。
【００３１】
まず、ＧａＮの｛２０−２１｝面を主面１２ａに含む半導体基板１２（ｎ型ＧａＮ）を用意する。次に、この半導体基板１２の主面１２ａに対し、ＮＨ３雰囲気下で１１００℃といった高温にて熱処理を行う。続いて、図２（ａ）に示されるように、半導体基板１２の主面１２ａ上に、ｎ型半導体領域１４、活性層１６、第３の上部光ガイド層１９（図２では図示せず）、及び第１のｐ型半導体領域１８を順にエピタキシャル成長させる。このとき、ｎ型半導体領域１４のｎ型クラッド層１４ａ（ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ）及び第１の下部光ガイド層１４ｂ（ｎ型ＧａＮ）の成長温度を例えば９００℃とし、第２の下部光ガイド層１４ｃ（ｎ型ＩｎＧａＮ）の成長温度を例えば８７０℃とする。また、活性層１６の井戸層１６ａ（アンドープＩｎＧａＮ）の成長温度を例えば７００℃とし、バリア層１６ｂ（アンドープＧａＮ）の成長温度を例えば８００℃とする。また、第１のｐ型半導体領域１８の第２の上部光ガイド層１８ｂ（ｐ型ＩｎＧａＮ）の成長温度を例えば８００℃とし、第１の上部光ガイド層１８ａ（ｐ型ＧａＮ）の成長温度を例えば９００℃とし、高濃度ｐ型半導体層１８ｃ（高濃度ｐ型ＧａＮ）の成長温度を例えば９００℃とする。その後、電流狭窄層２０のためのＡｌＮ層３０を第１のｐ型半導体領域１８上に成長（堆積）させる。このとき、ＡｌＮ層３０の成長（堆積）温度を例えば５００℃とする。こうして、ｎ型半導体領域１４、活性層１６、第１のｐ型半導体領域１８、及びＡｌＮ層３０を有する基板生産物３２が作製される。
【００３２】
続いて、基板生産物３２を成長炉から取り出し、図２（ｂ）に示されるように、フォトレジスト３４をＡｌＮ層３０上に塗布する。そして、図２（ｃ）に示されるように、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、フォトレジスト３４に開口３４ａを形成し、このフォトレジスト３４を介してＡｌＮ層３０に対しエッチングを行うことにより、アライメントマークのための開口３０ａを形成する。続いて、図３（ａ）に示されるように、基板生産物３２上の全面に、アライメントマークの材料となるＺｒＯ２のイオンビーム蒸着を行うことにより、フォトレジスト３４上、及び開口３０ａ内の第１のｐ型半導体領域１８上に、ＺｒＯ２膜３６を形成する。その後、図３（ｂ）に示されるように、フォトレジスト３４の上に蒸着されたＺｒＯ２膜３６をフォトレジスト３４と共に除去する（リフトオフ）。こうして、ＺｒＯ２から成るアライメントマーク３８が形成される。
【００３３】
続いて、図３（ｃ）に示されるように、フォトレジスト４０をＡｌＮ層３０上及びアライメントマーク３８上に塗布する。そして、図４（ａ）に示されるように、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、フォトレジスト４０に開口４０ａを形成し、このフォトレジスト４０を介してＡｌＮ層３０に対しエッチング（好ましくはＫＯＨ溶液を用いたウェットエッチング）を行うことにより、ＡｌＮ層３０に開口を形成する。これにより、電流狭窄のための開口２０ａを有する電流狭窄層２０が形成される。その後、図４（ｂ）に示されるように、フォトレジスト４０を除去する。こうして、電流狭窄層２０を有する基板生産物４２が作製される。
【００３４】
続いて、基板生産物４２を再び成長炉内に投入し、図４（ｃ）に示されるように、電流狭窄層２０上、および開口２０ａ内の第１のｐ型半導体領域１８上に、第２のｐ型半導体領域２２をエピタキシャル成長させる。このとき、第２のｐ型半導体領域２２のｐ型クラッド層２２ａ（ｐ型ＩｎＡｌＧａＮ）の成長温度を例えば８００℃とし、下部コンタクト層２２ｂ（ｐ型ＧａＮ）及び上部コンタクト層２２ｃ（高濃度ｐ型ＧａＮ）の成長温度を例えば９００℃とする。こうして、第２のｐ型半導体領域２２を有する基板生産物４４が作製される。
【００３５】
続いて、図５に示されるように、基板生産物４４の第２のｐ型半導体領域２２上にアノード電極２４（Ｐｄ）を蒸着し、アライメントマーク３８を用いて、後述するスクライブを行う領域上のアノード電極２４をエッチングにより除去する。続いて、半導体基板１２の裏面１２ｂ上にカソード電極２６（Ｔｉ／Ａｌ）を蒸着する。そして、所定のレーザ共振方向と交差する面にて基板生産物４４を劈開することにより共振端面を形成するとともに、レーザ共振方向に沿った切断面にて切断（スクライブ）を行うことによって、チップ化を行う。こうして、図１に示された構成を備える半導体レーザ素子１０が完成する。なお、本実施形態に係る作製方法により実際に半導体レーザ素子１０を作製したところ、閾値電流が５８ｍＡ、閾値電圧が５．９Ｖとなり、発振波長は５１０ｎｍであった。
【００３６】
以上の構成を備える本実施形態の半導体レーザ素子１０によって得られる効果について、従来の半導体レーザ素子が抱える課題とともに説明する。ここで、図６は、比較例としてのIII族窒化物半導体レーザ素子１００の構成を示す断面図であって、レーザ共振方向に垂直な断面を示している。この半導体レーザ素子１００は、支持基板としての半導体基板１１２、ｎ型クラッド層１１３、第１の下部光ガイド層１１４、第２の下部光ガイド層１１５、活性層１１６、第３の上部光ガイド層１１７、第２の上部光ガイド層１１８、第１の上部光ガイド層１１９、電流狭窄層１２０、ｐ型クラッド層１２２、ｐ型コンタクト層１２３、アノード電極１２４、及びカソード電極１２６を備えている。
【００３７】
半導体基板１１２は、例えばｎ型ＧａＮといったIII族窒化物半導体からなる。半導体基板１１２は、III族窒化物半導体結晶のｃ面（｛０００１｝面）を含む主面１１２ａ及び裏面１１２ｂを有する。すなわち、半導体基板１１２を構成するIII族窒化物のｃ軸は、主面１１２ａの法線軸と略一致している。このような主面１１２ａによれば、５００ｎｍ未満の発光のための活性層１１６（後述）に好適なＩｎ組成のＩｎＧａＮ層が提供される。
【００３８】
ｎ型クラッド層１１３及び第１の下部光ガイド層１１４は、ｎ型のIII族窒化物半導体からなり、半導体基板１１２の主面１１２ａ上に順に積層されている。ｎ型クラッド層１１３は例えばｎ型Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎからなり、第１の下部光ガイド層１１４は例えばｎ型ＧａＮからなる。ｎ型クラッド層１１３及び第１の下部光ガイド層１１４それぞれの厚さは、例えば２３００ｎｍ、５０ｎｍである。また、これらｎ型クラッド層１１３及び第１の下部光ガイド層１１４のｎ型不純物は例えばＳｉであり、その濃度は例えば２×１０１８ｃｍ−３である。
【００３９】
第２の下部光ガイド層１１５は、アンドープIII族窒化物半導体からなり、第１の下部光ガイド層１１４上に設けられている。第２の下部光ガイド層１１５は例えばＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎからなり、その厚さは例えば５０ｎｍである。
【００４０】
活性層１１６は、複数の井戸層１１６ａおよびバリア層１１６ｂが交互に積層された多重量子井戸構造を有する。なお、図６には、３層の井戸層１１６ａを含む活性層１１６が示されている。井戸層１１６ａはＩｎＧａＮ等からなり、バリア層１１６ｂはＧａＮ又はＩｎＧａＮ等からなる。井戸層１１６ａの厚さは例えば３ｎｍであり、バリア層１１６ｂの厚さは例えば１５ｎｍである。
【００４１】
第３の上部光ガイド層１１７は、アンドープIII族窒化物半導体からなり、活性層１１６上に設けられている。第３の上部光ガイド層１１７は例えばＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎからなり、その厚さは例えば５０ｎｍである。また、第２の上部光ガイド層１１８は、ｐ型III族窒化物半導体からなり、第３の上部光ガイド層１１７上に設けられている。第２の上部光ガイド層１１８は例えばｐ型ＧａＮからなり、その厚さは例えば５０ｎｍである。また、第１の上部光ガイド層１１９は、ｐ型のIII族窒化物半導体からなり、第２の上部光ガイド層１１８上に設けられている。第１の上部光ガイド層１１９は例えばｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎからなり、その厚さは例えば２０ｎｍである。なお、これら第１ないし第３の上部光ガイド層１１７〜１１９のｐ型不純物は例えばＭｇである。第１の上部光ガイド層１１９のｐ型不純物濃度は例えば１×１０１８ｃｍ−３である。
【００４２】
前述したように、半導体基板１１２の主面１１２ａは、III族窒化物半導体のｃ面を含んでいる。したがって、その結晶軸方向に成長する第１の上部光ガイド層１１９の表面（後述するｐ型クラッド層１２２との界面）もまた、III族窒化物半導体の極性面の性質を有する。
【００４３】
電流狭窄層１２０は、第１の上部光ガイド層１１９上に堆積した多結晶若しくはアモルファス状のIII族窒化物半導体（例えばＡｌＮ）から成る層である。なお、この電流狭窄層１２０の構成は、開口１２０ａの形状を含め、前述した電流狭窄層２０（図１を参照）と同様である。
【００４４】
ｐ型クラッド層１２２及びｐ型コンタクト層１２３は、ｐ型のIII族窒化物半導体からなる。ｐ型クラッド層１２２は、電流狭窄層１２０の開口１２０ａを埋め込むように電流狭窄層１２０上及び第１の上部光ガイド層１１９上に設けられており、電流狭窄層１２０の開口１２０ａが形成された後に、電流狭窄層１２０上及び第１の上部光ガイド層１１９上に再成長された層である。ｐ型クラッド層１２２は例えばｐ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎからなり、ｐ型コンタクト層１２３は例えば高濃度ｐ型ＧａＮからなる。ｐ型クラッド層１２２及びｐ型コンタクト層１２３それぞれの厚さは、例えば５００ｎｍ、５０ｎｍである。また、ｐ型クラッド層１２２及びｐ型コンタクト層１２３のｐ型不純物は例えばＭｇであり、ｐ型クラッド層１２２における不純物濃度は例えば１×１０１８ｃｍ−３である。
【００４５】
アノード電極１２４は、ｐ型コンタクト層１２３上に設けられており、ｐ型コンタクト層１２３とオーミック接触を成している。カソード電極１２６は、半導体基板１１２の裏面１１２ｂ上に設けられており、半導体基板１１２とオーミック接触を成している。
【００４６】
図７は、以上の構成を備える半導体レーザ素子１００の厚さ方向における、二次イオン質量分析の結果を示すグラフである。なお、図７では、横軸が半導体レーザ素子１００の厚さ方向位置（原点はｐ型コンタクト層１２３の表面位置）を示しており、縦軸が二次イオン強度（すなわち原子濃度）を示している。図７において、グラフＧ１１はＡｌの分布を示しており、グラフＧ１２はＩｎの分布を示している。また、グラフＧ１３はｐ型不純物であるＭｇの分布を示しており、グラフＧ１４はｎ型不純物であるＳｉの分布を示している。
【００４７】
図７のグラフＧ１４を参照すると、比較例としての半導体レーザ素子１００では、深さ位置０．５５μｍ付近（すなわち、ｐ型半導体領域内部の第１の上部光ガイド層１１９とｐ型クラッド層２２ａとの界面付近）において、ｎ型不純物であるＳｉの濃度が高くなっていることがわかる。その濃度は、ｎ型クラッド層１１３や第１の下部光ガイド層１１４のＳｉ濃度と同等か若しくはそれより大きい。このようなＳｉ濃度のピークの原因は、次のようなものであると考えられる。
【００４８】
上述した構成を備える半導体レーザ素子１００を作製する際、電流狭窄層１２０の開口１２０ａは、電流狭窄層１２０にエッチングを施すことによって形成される。このとき、電流狭窄層１２０の開口１２０ａから露出した第１の上部光ガイド層１１９の表面（すなわち、ｐ型クラッド層１２２との再成長界面）には、ｎ型ドーパントとなる酸素やシリコンといった不純物の付着（パイルアップ）が発生する。通常、有機金属原料を用いたＣＶＤによって半導体層を成長させる場合、Ｈ２若しくはＮＨ３等を用いた１０００℃以上での表面クリーニングを成長界面に対して実施する。そして、このクリーニングによって、上述したような不純物は好適に除去される。しかしながら、電流狭窄層１２０を有する構成においてこのような高温でのクリーニングを行うと、アモルファス状である電流狭窄層１２０が結晶化し、再成長層（ｐ型クラッド層１２２）の結晶品質が低下してしまう。したがって、ｐ型クラッド層１２２の再成長工程の前にこのような高温でのクリーニングを行うことは難しい。
【００４９】
したがって、ｎ型不純物が残留する再成長界面上にｐ型クラッド層１２２を成長させることとなる。ここで、図８（ａ）及び図８（ｂ）は、半導体レーザ素子１００のバンド構造を示す図である。なお、図８（ａ）及び図８（ｂ）において、ＢＧ１は井戸層１１６ａにおけるバンドギャップを示しており、一点鎖線Ａは第１の上部光ガイド層１１９とｐ型クラッド層１２２との再成長界面を示している。図８（ａ）に示されるように、第１の上部光ガイド層１１９とｐ型クラッド層１２２との再成長界面にｎ型不純物が残留すると、残留したｎ型不純物によるエネルギー準位ＥＬが再成長界面Ａに生じる。そして、このエネルギー準位ＥＬを介して伝導帯の電子ｅと価電子帯の正孔ｈとの非発光再結合が生じ、電流の損失が生じる（図中の矢印Ｌ）。これにより、半導体レーザ素子１００の閾値電流密度が上昇してしまう。また、再成長界面Ａの活性層１１６側にもｐ型半導体領域（第１の上部光ガイド層１１９）が存在するので、図８（ｂ）に示されるように、局所的なｐｎｐ構造（図中のＢ部分）が形成されてしまい、半導体レーザ素子１００の動作電圧が上昇してしまう。
【００５０】
図１に示された本実施形態の半導体レーザ素子１０においても、電流狭窄層２０の開口２０ａは、電流狭窄層２０にエッチングを施すことによって形成される（図４（ａ）及び図４（ｂ）を参照）。したがって、開口２０ａから露出した第１のｐ型半導体領域１８の表面には、ｎ型ドーパントとなる酸素やシリコンといった不純物の付着（パイルアップ）が発生する。また、このようなパイルアップは、本実施形態のように再成長界面が半極性面である場合に特に顕著となる。すなわち、緑色光を発生する半導体レーザ素子１０においては、活性層１６におけるピエゾ電界を低減する為に、III族窒化物半導体の半極性面を主面１２ａとする半導体基板１２が用いられている。このような場合、再成長界面も半極性面となる。そして、半極性面ではダングリングボンド（原子における未結合手）が多く露出するので、ｃ面、ａ面、或いはｍ面といった低面指数面と比較して、ｎ型不純物の取り込みが多くなってしまう。
【００５１】
このような問題点に対し、本実施形態の半導体レーザ素子１０では、第１のｐ型半導体領域１８が、第１のｐ型半導体領域１８と第２のｐ型半導体領域２２との界面を構成する高濃度ｐ型半導体層１８ｃを有している。すなわち、第１のｐ型半導体領域１８の高濃度ｐ型半導体層１８ｃは第２のｐ型半導体領域２２に接している。更に、この高濃度ｐ型半導体層１８ｃは、１×１０２０ｃｍ−３以上といった極めて高いｐ型不純物濃度を有している。
【００５２】
前述したように、第１のｐ型半導体領域１８上に第２のｐ型半導体領域２２を再成長させる際、第１のｐ型半導体領域１８の表面にはｎ型ドーパントとなる酸素やシリコンといった不純物の付着（パイルアップ）が発生する。しかしながら、この半導体レーザ素子１０では、高濃度ｐ型半導体層１８ｃのｐ型不純物が拡散してｎ型不純物を補償するので、ｎ型不純物による影響（閾値電流密度が上昇や動作電圧の上昇）が抑えられる。すなわち、この半導体レーザ素子１０によれば、半極性の再成長界面に存在するｎ型不純物による影響を低減することができる。
【００５３】
また、本実施形態のように、高濃度ｐ型半導体層１８ｃの厚さは１０ｎｍ以下であることが好ましい。本発明者の知見によれば、再成長界面に存在するｎ型不純物の厚さ方向分布の半値幅は１０ｎｍ程度であり、高濃度ｐ型半導体層１８ｃの厚さがこの値を超えないことによって、過剰なｐ型不純物濃度を有する領域がｎ型不純物のパイルアップ領域よりも広くなることを防ぎ、半導体レーザ素子１０の良好な動作特性を保持することができる。
【００５４】
また、本実施形態のように、高濃度ｐ型半導体層１８ｃは、第１のｐ型半導体領域１８にのみ設けられてもよい。このような構成によれば、上述した効果を好適に奏する半導体レーザ素子１０を提供できる。なお、本実施形態に拘わらず、高濃度ｐ型半導体層は、第２のｐ型半導体領域２２に設けられても良い。具体的には、高濃度ｐ型半導体層は、第１のｐ型半導体領域１８上に第２のｐ型半導体領域２２を再成長させる際に、ｐ型クラッド層２２ａの前に成長されても良い。或いは、高濃度ｐ型半導体層は、第１及び第２のｐ型半導体領域１８，２２の双方に設けられても良い。これらの高濃度ｐ型半導体の配置によっても、上述した効果を好適に奏する半導体レーザ素子１０を提供できる。
【００５５】
また、本実施形態のように、活性層１６の第１のｐ型半導体領域１８側の界面と、高濃度ｐ型半導体層１８ｃの活性層１６側の界面との距離は２００ｎｍ以上であることが好ましい。このように活性層１６と高濃度ｐ型半導体層１８ｃとの間隔を広くすることによって、高濃度ｐ型半導体層１８ｃのｐ型不純物による光吸収作用を抑え、レーザ発振効率の低下を抑制することができる。なお、本実施形態では、上記距離は第３の上部光ガイド層１９、第２の上部光ガイド層１８ｂ、及び第１の上部光ガイド層１８ａの合計厚さに相当し、一実施例では３２０ｎｍである。
【００５６】
また、ｐ型不純物の光吸収特性は、５００ｎｍ以上の波長域において特に顕著となる。したがって、高濃度ｐ型半導体層１８ｃのｐ型不純物による光吸収作用を抑え、レーザ発振効率の低下を更に抑制する為には、レーザ発振の共振波長は５００ｎｍ以上であることが好ましい。
【００５７】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、開口を有する電流狭窄層上にｐ型クラッド層が再成長された構成を備えており半極性の再成長界面に存在するｎ型不純物による影響を低減することができるIII族窒化物半導体レーザ素子として利用可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１０…III族窒化物半導体レーザ素子、１２…半導体基板、１４…ｎ型半導体領域、１４ａ…ｎ型クラッド層、１４ｂ…第１の下部光ガイド層、１４ｃ…第２の下部光ガイド層、１６…活性層、１６ａ…井戸層、１６ｂ…バリア層、１８…第１のｐ型半導体領域、１８ａ…第１の上部光ガイド層、１８ｂ…第２の上部光ガイド層、１８ｃ…高濃度ｐ型半導体層、１９…第３の上部光ガイド層、２０…電流狭窄層、２２…第２のｐ型半導体領域、２２ａ…ｐ型クラッド層、２２ｂ…下部コンタクト層、２２ｃ…上部コンタクト層、２４…アノード電極、２６…カソード電極、Ａ…再成長界面、ｅ…電子、ｈ…正孔。
【図１】
2013030505.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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